多功能直流UPS的设计

作者：时间：2011-02-16 来源：网络

加入技术交流群
- 扫码加入
  和技术大咖面对面交流
  海量资料库查询

3.3蓄电池的寿命

蓄电池使用寿命缩短的主要原因有以下几个方面：

（1）放电深度和幅度大容量放电和大电流放电都会缩短蓄电池的使用寿命，所以在蓄电池放电时，一定要有放电深度限制（设置放电下限电压控制），以防止电池过放电；

（2）充电容量和幅度太大的充电电流会产生大量的气体，以致超过电池的吸收能力，导致电池内部压力增大，使气体甚至电解液从阀门逸出电池体外，造成电池失效。过充电会造成电池极板老化，缩短电池寿命，所以，为了保证蓄电池随时处于100％满容量，又延长使用寿命，恒流恒压充电是最合适的；

（3）环境温度温度过高和过低都会降低电池的使用寿命。

4直流 UPS的设计

DCUPS的实现方案由于设计要求、设计思想、设计风格的不同而多种多样。从可靠性、性价比等技术经济的角度，我们制定如图3所示方案。

4.1输入融合

为了尽量减少蓄电池的起用时间，延长寿命，交流输入端采用多路并联输入。这样只要其中一路有电，系统就由电网供电，而不必起动备用电池。

分别将各路交流输入整流变换为直流脉动电压，再进行直流无扰切换，将多路输入融合为一路输出。直流切换的优点是：电路简单，可靠性高，无触点切换，对外围电路辐射干扰小。多路融合还可以利用三相输入电压相位的不同，提高整流效率。

4.2直流变换

考虑到充放电控制及输出电路对输入电压数值及稳定性的要求，先将整流滤波后的直流高压进行一次变换是必要的，而且这对提高后级工作可靠性，延长使用寿命都有很大好处。

按图2所示原理，DCUPS只有一路输出，而且其端电压在输入失电时随电池能量的减小而降低。所以，为了满足多路输出及电压稳定的要求，往往要在输出级加上二次直流变换。当然，对于远程负载或多用户负载，先将单路输出送至用户端，再进行二次直流变换，不失为一种好方案，这样可以减小串扰，提高供电质量。

至于DC/DC变换器，其电路形式和工作方式多种多样，但由于其成熟的工业品已经较为普及，所以只需选订相关的品牌及参数即可。目前质量较好的有：美国的VICOR、INTERPOINT，日本的COSEL、λ，法国的GAIA、ETRI，瑞典的ERICSSON等品牌。

4.3充放电控制

结合第2节、第3节中对UPS和蓄电池原理及性能的讨论，我们采用恒流恒压方式自动充电、二极管导引的充放电自动切换和放电下限电压限制（自动切断负载通路）。

图4DC－UPS原理电路

二极管导引的充放电自动切换，虽然损失一定的电压（二极管导通压降，小于1.0V），但其优点是无触点，响应速度快，可靠性高，且兼有反向极性保护功能。

如前所述，设置放电深度限制是必须的，由于放电容量及剩余容量不好测定，故在工程上常用电池的端电压来粗略估计，即以放电时的端电压来标明电池的剩余容量。所以设置放电下限电压来限制放电的深度。

5设计实例

我们以某型通讯机电源为实例，来设计一台实用的DCUPS。

5.1技术指标

该机主要技术指标如下：

（1）输入：每相AC220V±20％，三路输入（三相星形接法）；

（2）输出：DC＋5V/3A，DC±12V/1.5A，DC＋24V/1.0A，四路输出；

（3）失电持续供电时间>1h；

（4）工作环境：户外（工业品级）。

5.2原理电路

按图3所示方案设计的原理电路如图4所示。其主要设计依据如下:

（1）由于输出级要求四路同时输出，且电压数值各异，因此末级必须加入DC/DC变换器。要求POmax=75W、四路输出，所以选用INTERPOINT公司的（HR70328512），因为＋24V支路可浮地输出，故跨接在±12V支路上。取输入电压UIN=24V，即蓄电池电平为24V。由于充电器采用LM217恒流，要求输入端电压UImin≥（27.5＋1.25＋2.5）=31.25V。

其中：27.5V为蓄电池充电上限电压

1.25V为LM217的基本压差

2.5V为LM217的最小工作压差

所以前级DC/DC变换器选用VICOR公司的(VIJ64CW)，将其输出电压调至32V；

（2）由于POmax=75W，蓄电池端电压为24V，则IOmax=3.125A。要求持续工作1h，即要求电池的有效容量C′>3.125Ah。根据表3数据，对于1h放电率，其有效容量C′=0.6C，所以电池标称容量C≥3.125/0.6=5.2Ah。考虑温度影响、后级效率、设计裕量及产品规格等因素，可选用Deka牌12V/7Ah电池两块（串联）；

（3）充电控制电路采用了充放电控制专用芯片CC2024和三端稳压集成块，使得整个电路即简单又可靠。

恒流电路由LM217构成（IC=0.7A）。由于三端集成稳压器参数优良，过载能力强，而且具有全功能自保护（过流、过压、过热），由其构成恒流源电路，性能可靠，性价比高。

CC2024是为24V电池充放电控制设计的专用厚膜集成电路，其主要功能如下：

（1）充电上限电压限制UOmax=27.5V（计算依据参见表1）；

（2）放电下限电压限制UOmin=21.5V（计算依据参见表2）；

（3）蓄电池反极性报警当电池的极性接反时，

外接蜂鸣器报警；

（4）充电上限电压温度补偿。

6实验数据

为了验证设计的正确性及电路的可行性，我们对按图4组装的40套DCUPS进行了4套抽样实验。其在线工作性能如表4所示。

表4数据表明，该机电源调整率极低（因为采用两级直流变换），负载调整率及温度漂移均较小，全温全载范围起动性能良好，充电控制及温度补偿作用明显，符合设计标准。

表4某型DCUPS在线工作性能实验数据

环境温度(℃)	负载电流	输出电压（V）	＋5V/3A支路			＋12V/2.5A支路			－12V/2.5A支路			充电支路		起动性能
			市电进线电压波动±20％（V）									充电电流（mA）	上限电压（V）
			176V	220V	264V	176V	220V	264V	176V	220V	264V	充电电流（mA）	上限电压（V）
－15	0A	直流电压	5.13	5.13	5.13	12.12	12.12	12.12	－11.97	－11.97	－11.97	689	27.56	OK
	0A	纹波峰值	0.10	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
	Iomax/2	直流电压	5.09	5.09	5.09	12.14	12.14	12.14	－11.89	－11.89	－11.89	689	27.56	OK
	Iomax/2	纹波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
	Iomax	直流电压	5.08	5.08	5.08	12.02	12.02	12.02	－11.85	－11.85	－11.85	689	27.56	OK
	Iomax	纹波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	689	27.56	OK
＋25	0A	直流电压	5.12	5.12	5.12	12.10	12.10	12.10	－11.95	－11.95	－11.95	698	27.40	OK
	0A	纹波峰值	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	698	27.40	OK
	Iomax/2	直流电压	5.09	5.09	5.09	12.06	12.06	12.06	－11.90	－11.90	－11.90	698	27.40	OK
	Iomax/2	纹波峰值	0.05	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	698	27.40	OK
	Iomax	直流电压	5.07	5.07	5.07	12.03	12.03	12.03	－11.86	－11.86	－11.86	698	27.40	OK
	Iomax	纹波峰值	0.05	0.05	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.20	698	27.40	OK
＋45	0A	直流电压	5.10	5.10	5.10	12.06	12.06	12.06	－11.92	－11.92	－11.92	704	27.32	OK
	0A	纹波峰值	0.05	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	0.10	704	27.32	OK
	Iomax/2	直流电压	5.07	5.07	5.07	12.01	12.01	12.01	－11.85	－11.85	－11.85	704	27.32	OK
	Iomax/2	纹波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15	0.20	704	27.32	OK
	Iomax	直流电压	5.06	5.06	5.06	11.98	11.98	11.98	－11.80	－11.80	－11.80	704	27.32	OK
	Iomax	纹波峰值	0.10	0.10	0.15	0.20	0.20	0.25	0.20	0.20	0.25	704	27.32	OK
＋75	0A	直流电压	5.07	5.07	5.07	12.01	12.01	12.01	－11.87	－11.87	－11.87	710	27.14	OK
	0A	纹波峰值	0.10	0.10	0.10	0.15	0.15	0.15	0.20	0.20	0.20	710	27.14	OK
	Iomax/2	直流电压	5.05	5.05	5.05	11.97	11.97	11.97	－11.81	－11.81	－11.81	710	27.14	OK
	Iomax/2	纹波峰值	0.15	0.15	0.15	0.20	0.20	0.20	0.25	0.25	0.30	710	27.14	OK
	Iomax	直流电压	5.03	5.03	5.03	11.94	11.94	11.94	－11.76	－11.76	－11.76	710	27.14	OK
	Iomax	纹波峰值	0.20	0.20	0.25	0.25	0.25	0.30	0.30	0.30	0.35	710	27.14	OK